Электричество. Электричество электростатика электростатика
 Скачать 0.95 Mb.
|
|
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО ЭЛЕКТРОСТАТИКА 1. Электростатика –раздел электродинамики,в котором рассматри- ваются свойства и взаимодействие неподвижных в инерциальной системе отсчѐта электрически заряженных тел или частиц, обладающих электриче- ским зарядом. 2. Электрический заряд (q) –неотъемлемое свойство некоторых эле- ментарных частиц (протонов, электронов и т.д.), определяющее их взаимо- действие с внешним электромагнитным полем. [q] = Кл (кулон); 1 Кл = 1А с. 3. Свойства электрического заряда: Электрический заряд существует в двух видах: положительный и отрицательный. Одноимѐнные заряды отталкиваются, разноимѐнные – при- тягиваются. Существует минимальный электрический заряд, который назы- вают элементарным. Носитель элементарного отрицательного заряда – элек- трон, положительного – протон. Заряд элементарных частиц одинаков по ве- личине q e = e =1,6⋅10 −19 Кл Заряд любого тела образуется совокупностью элементарных за- рядов и является величиной, кратной е q =eN, N =1, 2, 3. Электрический заряд подчиняется закону сохранения заряда: Алгебраическая сумма зарядов электрически изолированной системы заря- женных тел остается величиной постоянной q 1 + q 2 + +q N =const. Величина заряда не зависит от того, движется он или нет. 4. Точечный заряд –это заряженное тело,размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстоянием от этого тела до других заряженных тел. Закон, который позволяет найти силу взаимодействия точечных заря- дов, установлен экспериментально в 1785 году Ш. Кулоном. Сила взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов пропорци- ональна величине этих зарядов, обратно пропорциональна квадрату расстоя- ния между ними и зависит от среды, в которой находятся заряды: 2 где k– коэффициент пропорциональности в СИ, k = ;ε 0 = 8,85⋅10 −12 Ф/м– электрическая постоянная; ε–диэлектрическая проницаемость–характеристика среды. Для вакуума ε=1 Сила направлена по прямой, соединяющей заряды. 5. Электрическое поле –это материальная среда,существующая вокруг заряженных тел и проявляющая себя силовым действием на заряды. Если электрически заряженные тела или частицы неподвижны в данной системе отсчѐта, то их взаимодействие осуществляется посредством электростатиче- ского поля. Электростатическое поле является не изменяющимся во времени (стационарным) электрическим полем. 6. Напряжѐнность электрического поля (E) – векторная физическая величина, силовая характеристика электрического поля, численно равная си- ле, действующей на единичный положительный заряд, помещѐнный в дан- ную точку поля: [ ] Направление вектора напряжѐнности совпадает с направлением силы, действующей на положительный заряд. Если величина и направление вектора напряжѐнности поля в каждой точке одинаковы, то поле называется однородным. Исходя из закона Кулона, можно рассчитать напряжѐнность электри- ческого поля, создаваемого точечным зарядом Если поле создается несколькими зарядами, то напряжѐнность резуль- тирующего поля равна векторной сумме напряжѐнностей полей, которые со- здавал бы каждый из зарядов системы в отдельности. Данное утверждение называется принципом суперпозиции (наложения) полей. 7. Потенциал электростатического поля( ) –скалярная физическая величина, энергетическая характеристика электростатического по- ля,численно равная потенциальной энергии, которой обладал бы в данной точке поля единичный положительный заряд: [ ] Потенциал может быть положительным или отрицательным. Потенциал поля точечного заряда: где k – коэффициент пропорциональности; q – заряд, создающий поле; r – расстоя- ние от заряда до точки, в которой определяется потенциал. 3 Если r стремится к бесконечности (r→ ), то потенциал стремится к нулю. Это означает, что потенциал поля точечного заряда обращается в нуль в бесконечно удаленной точке. Работа A, совершаемая силами электростатического поля при переме- щении заряда q из точки 1 с потенциалом 1 в точку 2 с потенциалом 2 : A = – (q 2 − q 1 )= q( 1 − 2 ). Величину ∆ = 1 − 2 называют разностью потенциалов. Таким образом A = q∆ . Если заряд q из точки с потенциалом удаляется на бесконечность (там, где по условию потенциал равен нулю), то работа сил поля равна A ∞ = q Отсюда следует, что потенциал численно равен рабо- те,совершаемойсилами электростатического поля при перемещении единичного положительного заряда из этой точки на бесконечность На практике за нулевой потенциал обычно принимают потенциал Зем- ли. Если поле создается системой зарядов, то, в соответствии с принци- помсуперпозиции, потенциал результирующего поля равен алгебраической суммепотенциалов, создаваемых каждым зарядом в отдельности: = 1 + 2 + + N 8. Графически электростатическое поле изображают с помощью сило- выхлиний и эквипотенциальных поверхностей. Силоваялиния (линиянапряжѐнности)–это линия,касательная ккото- рой в каждой точке совпадает снаправлениемвекторанапряжѐнностиE. Свойства силовых линий: - силовые линии начинаются на положительных зарядах, заканчивают- ся наотрицательных или уходят в бесконечность; - силовые линии не пересекаются; - по густоте силовых линий судят о величине напряжѐнности электро- статического поля; - силовые линии перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям. Поле точечного заряда: + – Система точечных зарядов: 4 + – 9. Связь между напряжѐнностью электрического поля и потенциалом в случае однородного поля. Если поле однородное, то вектор E сохраняет свое численное значение и направление где d –расстояние между эквипотенциальными плоскостями с потенциала- ми 1 и 2 ,U = 1 − 2 –разность потенциалов(напряжение). Если поле неоднородное, тонапряжѐнность электрического поля чис- ленно равна изменению потенциала, приходящемуся на единицу длины: E = −grad Знак «–» говорит о том, что вектор напряжѐнности направлен в сторо- ну убывания потенциала. Градиент потенциала (обозначаетсяgrad ) –это вектор,направленный в сторону максимального возрастания потенциала и численно равный изме- нению потенциала, приходящемуся на единицу длины в этом направлении. 10. Согласно теореме Гаусса для электростатического поля:поток вектора напряжѐнности электростатического поля сквозь произволь- ную замкнутую поверхность пропорционален алгебраической сумме заря- дов, охватываемых этой поверхностью ∑ 11. Диэлектрики (изоляторы)–это вещества,не способные проводить электрический ток. Идеальных изоляторов в природе не существует. Все ве- щества хотя бы в ничтожной степени проводят электрический ток. Однако, вещества, которые называются диэлектриками, проводят ток в 10 15 –10 20 раз хуже, чем вещества, которые называются проводниками. Диэлектрическая проницаемость среды –это характеристика веще- ства,которая показывает, во сколько раз поле внутри однородного диэлек- трикаменьше, чем в вакууме. 12. Проводники –вещества,в которых имеются носители заря- да,способныеперемещаться под действием сколь угодно малой силы. 5 ЭЛЕКТРОЕМКОСТЬ 1. Электрическая ѐмкость (электроѐмкость)–это скалярная физиче- скаявеличина, характеризующая способность проводника накапливать элек- трический заряд и численно равная заряду, сообщение которого проводнику изменяет егопотенциал на один вольт: [ ] Фарад – это очень большая величина. Такой ѐмкостью обладал бы шар радиуса 9⋅10 9 м, т.е. радиуса в 1500 раз больше радиуса Земли. На практике ѐмкость измеряют в миллифарадах (мФ), микрофарадах (мкФ), нанофарадах (нФ) и пикофарадах (пФ). Электроѐмкость зависит от геометрии проводника и диэлектрической проницаемости среды, окружающей проводник. Электроѐмкость уединѐнной проводящей сферы: C =4πεε 0 R. Уединѐнные проводники имеют небольшую ѐмкость. Например, шар размером с Землю имеет ѐмкость 700 мкФ. 2. На практике необходимы устройства, способные накапливать на се- бе («конденсировать») большие заряды. Их называют конденсаторами. Конденсатор –это система из двух проводников,заряженных разно- имѐнно, равными по абсолютному значению зарядами. Проводники распо- ложены близко друг к другу и разделены диэлектриком. Условное обозначение на схемах: Образующие конденсатор проводники называют обкладками. Чтобы внешние тела не оказывали влияния на ѐмкость конденсатора, обкладкам придают такую форму и так их располагают, чтобы поле было сосредоточе- но внутри конденсатора. Этому условию отвечают: - две пластины, расположенные близко друг к другу; - два коаксиальных цилиндра; - две концентрические сферы. Соответственно, по форме кондесаторы бывают: плоские; цилиндриче- ские; сферические. Основной характеристикой конденсатора является электроѐмкость С. По определению, электроѐмкость равна отношению заряда на конденсаторе к разности потенциалов между обкладками: где 1 − 2 =U – напряжение между обкладками; q –заряд положительной обкладки. 6 Величина электроѐмкости конденсатора определяется формой и разме- рами обкладок и величиной зазора между ними, а также диэлектрическими свойствамисреды, заполняющей пространство между обкладками. Электроѐмкость плоского конденсатора: где S –площадь обкладки; d –расстояние между обкладками; – диэлектриче- ская проницаемость среды (диэлектрика), которая находится между обкладками. Электроѐмкость цилиндрического конденсатора: гдеl – длина конденсатора; R 1 и R 2 –радиусы внутренней и внешней обкладок. 3. Помимо ѐмкости каждый конденсатор характеризуется предельным напряжением U max , которое можно прикладывать к обкладкам конденсатора, не опасаясь пробоя. При превышении этого напряжения между обкладками проскакивает искра, в результате чего разрушается диэлектрик и конденса- тор выходит из строя. 4. При последовательном соединении конденсаторы соединяются раз- ноимѐнно заряженными обкладками. При этом выполняются следующие со- отношения q общ = q 1 = q 2 = =q n ; U = U 1 + U 2 + +U n ; Результирующая ѐмкость всегда меньше минимальной электроѐмко- сти, входящей в батарею. При последовательном соединении уменьшается возможность пробоя конденсаторов, потому что на каждом конденсаторе имеется лишь часть общей разности потенциалов, поданной на всю батарею. 5. При параллельном соединении конденсаторов соединяются одно- имѐнные обкладки. При этом выполняются соотношения: q общ = q 1 + q 2 + + q n ; U = U 1 = U 2 = =U n ; С = C 1 + C 2 + + C n Параллельное соединение конденсаторов используют для получения больших электроѐмкостей. 6. Как всякий заряженный проводник, конденсатор обладает энергией. Энергия заряженного конденсатора определяется соотношениями: Формулу для энергии поля конденсатора можно преобразовать, ис- пользуя величины, характеризующие электрическое поле: 7 где V=Sd – объѐм конденсатора. 7. Если поле однородно (что имеет место в плоском конденсаторе), то заключенная в нем энергия распределяется в пространстве с постоянной плотностью. Величина, равная отношению энергии поля к занимаемому объѐму, называется объѐмной плотностью энергии: Для электрического поля: ПОСТОЯННЫЙ ТОК 1. Электрическим током называется упорядоченное движение элек- трических зарядов. Ток, возникающий в проводящих средах, называется током проводи- мости.Примером тока проводимости является ток в металлах.Для суще- ствования постоянного электрического тока проводимости необходимо вы- полнение следующих условий: наличие свободных носителей заряда; наличие внешнего электрического поля, энергия которого долж- на расходоваться на упорядоченное перемещение электрических зарядов; цепь постоянного тока проводимости должна быть замкнутой. Количественной характеристикой электрического тока является сила тока. 2. Сила тока ( I) –скалярная физическая величина,численно равная за- ряду,переносимому через поперечное сечение проводника за единицу вре- мени [I] = А (ампер). За направление тока принимается направление перемещения положи- тельных зарядов. Если сила тока и его направление не изменяются, то ток называется постоянным. Другой характеристикой тока является плотность тока. 3. Плотность тока ( i ) –векторная физическая величина,численно равная электрическому заряду, переносимому за единицу времени через единичную площадку, расположенную перпендикулярно направлению дви- жения носителей тока 8 [ ] где S – площадь поперечного сечения проводника. 4. Чтобы поддерживать ток длительное время, в цепи должно работать устройство, которое способно создавать и поддерживать разность потенциа- лов за счѐт работы сил неэлектростатического происхождения. Это устрой- ство называют источником тока. Силы неэлектростатического происхождения, действующие на заряды со стороны источников тока, называются сторонними. Величина, равная отношению полной работы, совершаемой электро- статическими и сторонними силами при перемещении заряда, к величине за- ряда называется напряжением на данном участке Величина, равная отношению работы, совершаемой сторонними сила- ми при перемещении заряда, к величине этого заряда называется электро- движущей силой (эдс) 5. Участок, на котором на носители заряда действуют сторонние силы, называют неоднородным. Участок цепи, на котором не действуют сторонние силы, называют однородным. Для однородного участка (ε = 0): U = 1 − 2 , т.е. напряжение на однородном участке совпадает с разностью потенциалов на концах участка. 6. Сила тока, текущего по однородному металлическому проводнику, пропорциональна напряжению на этом проводнике (Закон Ома для одно- родного участка цепи) где R – электрическое сопротивление, [R] = Ом. 7. Электрическое сопротивление (R) –скалярная физическая величи- на,характеризующая свойство проводника противодействовать пропусканию электрического тока и равная отношению напряжения U на концах провод- ника к силе тока I, протекающего по нему: Сопротивление проводника зависит от материала проводника и его геометрических размеров: 9 где l – длина проводника, S –площадь поперечного сечения проводника; – удель- ное электрическое сопротивление. 8. Удельное электрическое сопротивление проводника – величина,характеризующая материал проводника и численно равная сопро- тивлению однородного цилиндрического проводника единичной длины и единичной площади поперечного сечения. [ρ]=Ом⋅м Сопротивление металлов линейно возрастает с ростом температуры R = R 0 (1+ αt), где R –сопротивление при температуреt°C; R 0 –сопротивление при0°C; R 0 – сопротивление при0°C, α – температурный коэффициент сопротивления. Температурный коэффициент характеризует температурную ста- бильностьматериала и численно равен относительному изменению сопро- тивления проводника при изменении температуры на 1 К. Для чистых ме- таллов температурный коэффициент представляет величину порядка α ≈ 0,004 К −1 9. Величина γ, обратная сопротивлению, называется электропроводи- мостью [ ] Удельная электрическая проводимость (электропроводность) σсвя- зана с удельным электрическим сопротивлением ρ соотношением [ ] 10. Зависимость силы тока от напряжения называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ).Для металлов эта зависимость имеет линейный ха- рактер. 11. При последовательном соединении проводников конец предыдуще- го проводника соединяется с началом последующего и между проводниками ток не разветвляется. I = I 1 = I 2 = = I n ; U = U 1 + U 2 + + U n ; R=R 1 + R 2 + + R n Если n проводников сопротивлением R 1 , R 2 , …, R n соединены между собой последовательно, то через проводники течет одинаковый ток и напря- жение на концах соединения равно сумме напряжений на отдельных провод- никах. 12. Если начала проводников соединены в одной точке (узле), а концы в другой, то соединение называют параллельным. 10 При параллельном соединении проводников сила тока в неразветвлѐн- ной части цепи равна сумме сил токов, текущих в разветвлѐнных участках цепи, напряжение на параллельно соединѐнных участках цепи одинаково I = I 1 + I 2 + …. + I n ; U = U 1 = U 2 = …. =U n ; 13. Напряжение между двумя точками электрической цепи равно сумме разности потенциалов и электродвижущей силы (закон Ома для неоднород- ного участка) Тогда При отсутствии сторонних сил величины U и 1 − 2 совпадают. Поэто- му в задачах электростатики и задачах на ток, где рассматриваются участки цепи, не содержащие эдс, понятия напряжения и разности потенциалов часто отождествляют. 14. Если цепь содержит источник тока, эдскоторогоε, при этом замкну- та, то 1 = 2 . Для замкнутой цепи закон Ома примет вид , r R где r – сопротивление источника тока; R – сопротивление нагрузки; (R+r) – полное сопротивление цепи. 15. Плотность тока пропорциональна напряжѐнности поля в дан- ной точке проводника.Это выражение называется законом Ома в диффе- ренциальной форме i= σ E. 16. Для расчѐта разветвлѐнных электрических цепей постоянного тока используют правила Кирхгофа. Первое относится к узлам цепи. Узлом назы- вается точка, в которой сходится более чем два проводника. Первое правило:алгебраическая сумма токов,сходящихся в узле, равна нулю, т.е. ∑ 11 Токи считаются положительными, если они подходят к узлу. Токи, от- ходящие от узла, считаются отрицательными. Второе правило: в любом замкнутом контуре,произвольно выбранном вразветвлѐнной электрической цепи, алгебраическая сумма произведений сил токов I i на сопротивления R i соответствующих участков этого контура равна алгебраической сумме имеющихся в контуре э.д.с.: ∑ ∑ где I i – сила тока на i-м участке; R i – активное сопротивление i-го участка; ε i – э.д.с. источников тока на i-м участке; N – число участков, содержащих активное сопротивле- ние; k – число источников тока. Расчѐт разветвлѐнной цепи постоянного тока проводится в такой по- следовательности: 1) произвольно выбираются направления токов во всех участках цепи и направление обхода контура; 2) записываются (n–1) независимых уравнений правила узлов, где n – число узлов в цепи; 3) произвольные замкнутые контуры выделяются так, чтобы каж- дый новый контур содержал, по крайней мере, один участок цепи, не входя- щий в ранее рассмотренные контуры; 4) если токи совпадают с выбранным направлением обхода конту- ра, то они считаются положительными. Э.д.с. считаются положительными, если они повышают потенциал в направлении обхода контура. 17. При упорядоченном движении заряженных частиц в проводнике электрическое поле совершает работу. Еѐ принято называть работой тока. Рассмотрим произвольный участок цепи постоянного тока, к концам которого приложено напряжение U. За время t через сечение проводника проходит заряд q=It . Это равносильно тому, что заряд It переносится за вре- мя t из одного конца проводника в другой. При этом силы электростатиче- ского поля и сторонние силы, действующие на данном участке, совершают работу A =Uq= UI t. Разделив работуА на время t, за которое она совершается, получим мощность, развиваемую током на рассматриваемом участке цепи: P=UI. Эта мощность может расходоваться на совершение рассматриваемым участком цепи работы над внешними телами, на протекание химических ре- акций, на нагревание данного участка цепи и т.д. Если проводник неподвижен и в нем не происходит химических пре- вращений, то работа поля по перемещению зарядов идет на изменение внут- ренней энергии проводника, т.е. проводник нагревается. При этом выделяет- ся количество тепла: 12 Q = A = IU t. По закону Ома U=IR . Сделав замену, получаем Q = I 2 Rt Данное выражение называется законом Джоуля − Ленца. ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ 1. Магнетизм –особая форма взаимодействия между электрическими токами, между электрическими токами и магнитами и между магнитами. Магнитные свойства присущи в той или иной степени всем без исключения телам, поэтому при рассмотрении магнитных свойств веществ введен общий термин – магнетики. 2. Вокруг проводников с током постоянных магнитов существует маг- нитное поле, которое обнаруживается по его силовому действию на другие проводники с током, постоянные магниты, движущиеся электрические заря- ды. В отличие от электрического поля магнитное поле не оказывает действия на покоящийся заряд. В 1820 году датский физик Эрcтед обнаружил, что магнитная стрелка, расположенная параллельно прямолинейному проводнику, при пропускании через него постоянного тока I стремится расположиться перпендикулярно проводнику. При изменении направления тока стрелка поворачивалась на 180°. То же самое происходило, когда стрелка переносилась вверх и распо- лагалась над проводом. В том же году А. Ампер установил, что два проводника, расположен- ные параллельно друг другу, испытывают взаимное притяжение при пропус- кании через них тока в одном направлении и отталкиваются, если токи име- ют противоположные направления. Сила взаимодействия проводников про- порциональна величине токов и обратно пропорциональна расстоянию меж- ду ними 3. Для характеристики способности магнитного поля оказывать сило- вое действие на проводники с током вводится физическая величина, называ- емая вектором магнитной индукции. 13 Из опытов Ампера следует, что на проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила, пропорциональная силе тока в проводнике и длине проводника. Магнитная индукция ( B ) −векторная физическая величин, силовая характеристика магнитного поля, численно равная отношению максимально- го значения силы, действующей на проводник с током, к произведению силы тока I в нем на длину проводника l: [ ] 4. Кроме вектора магнитной индукции для характеристики магнитного поля используют вспомогательную величину H , называемую напряжѐнно- стью магнитного поля. Магнитная индукция и напряжѐнность связаны между собой соотношением: B=µ 0 µH, где µ 0 = 4π⋅10 −7 Гн/м − магнитная постоянная; − относительная магнитная прони- цаемость среды; H −напряжѐнность магнитного поля. Магнитная проницаемость среды µ −это физическая величи- на,показывающая, во сколько раз магнитная индукция поля в данной среде отличается от магнитной индукции поля в вакууме. Для вакуума µ =1. Напряжѐнность магнитного поля H –векторная величи- на,являющаяся количественной характеристикой магнитного поля. Напря- жѐнность магнитного поля определяет тот вклад в магнитную индукцию, ко- торый дают внешние источники поля. [H]=А м 5. Графически магнитные поля можно изображать с помощью линий магнитной индукции (силовых линий магнитного поля). Линия, в любой точке которой вектор магнитной индукции B направ- лен по касательной к ней, называется линией магнитной индукции(силовой линией магнитного поля). Линии индукции магнитного поля ни в одной точке поля не обрывают- ся, т.е. они всегда непрерывны. Они не имеют ни начала, ни конца. Вектор- ное поле, имеющее непрерывные силовые линии, называется вихревым по- лем.Магнитное поле–это вихревое поле. Линии индукции прямого проводника с током, кругового тока, поля, создаваемого постоянным магнитом, представлены на рис. +++ I B B I B B Рис. +++ 14 6. Если во всех точках некоторой части пространства вектор магнитной индукции B не изменяет своего направления и численного значения, то маг- нитное поле в этой части пространства называется однородным. В против- ном случае магнитное поле является неоднородным. 7. По закону Био−Савара− Лапласа индукция dB магнитного поля, со- здаваемого элементом тока Idl в произвольной точке А, определяется выра- жением: где α− угол между направлениями элемента тока и радиус-вектора r , идущего от элемента тока к точке, в которой определяется индукция. Аналогичную формулу можно записать длянапряжѐнности магнитного поля: Закон Био−Савара− Лапласа применяют для расчѐта полей, создавае- мых проводниками правильной геометрической формы в вакууме. Для бесконечно длинного проводника индукция и напряженность маг- нитного поля определяются по формулам: , где r− расстояние от проводника с током до точки, в которой определяется маг- нитная индукция и напряженность. Выражения для расчѐта индукции и напряженности в центре кругово- готока: где R −радиус витка. Индукция и напряжѐнность магнитного поля внутри бесконечнодлин- ного соленоида: B = µ 0 I n; H = I n. 8. Потоком вектора магнитной индукции или магнитным пото- ком (Ф) сквозь площадку S называется скалярная физическая величина, равная Ф =BScosα, [Ф]= Tл м 2 = Вб(вебер) где α − угол между направлением нормалиnи вектором магнитной индукции B. 9. Сила взаимодействия двух бесконечно длинных прямых токов (за- кон Ампера): 10. Сила, действующая на единицу длины проводника: 15 11. Сила, действующая на прямолинейный проводник с током в одно- родном магнитном поле (сила Ампера): F =IBlsinα, где l − длина проводника; α − угол между направлением тока и вектором магнит- ной индукции. Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы вектор напряженности маг- нитного поля входил в ладонь, а четыре вытянутых пальца направлялись вдоль тока, то отставленный большой палец покажет направление силы, действующей на этот ток. 12. Магнитное поле действует на отдельные заряженные частицы, движущиеся в магнитном поле. Сила F л , действующая на электрический за- ряд, движущийся в магнитном поле, называется силой Лоренца. Модуль си- лы Лоренца равен: F л =qBvsinα, где q− заряд частицы; B −индукция магнитного поля,в котором движется заряд; v −скорость заряда; α − угол между векторамиvиB. Сила Лоренца направлена всегда перпендикулярно скорости движения заряженной частицы и сообщает ей центростремительное ускорение. Не из- меняя модуля скорости, а лишь изменяя ее направление, сила Лоренца не со- вершает работы и кинетическая энергия заряженной частицы при движении в магнитном поле не изменяется. 13. Все вещества являются магнетиками, т.е. способны под действием магнитного поля намагничиваться. По характеру зависимости намагниченности от напряжѐнности маг- нитного поля магнетики делятся на три группы: диамагнетики, парамагнети- ки, ферромагнетики. Диамагнетики −вещества,у которых магнитная проницаемость μ<1, но отличие от единицы невелико. К диамагнетикам относятся инертные га- зы, водород, кремний, висмут, олово, медь, цинк, вода, кварц и многие орга- нические соединения. Парамагнетики −вещества,у которых магнитная проницаемость μ>1, но отличие от единицы очень невелико. К парамагнетикам относятся алю- миний, марганец, палладий, платина, растворы железных и никелевых солей, кислород, воздух и др. Для парамагнитных и диамагнитных веществ магнитная проницае- мость μ не зависит от напряжѐнности внешнего намагничивающего по- ля,т.е.представляет собой постоянную величину, характеризующую данное вещество. Ферромагнетики −вещества,способные обладать намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля. Свое название они получили по наиболее распространенному представителю − железу.К ферромагнетикам кроме железа, принадлежат никель, кобальт, гадолиний, их сплавы и соеди- нения,некоторые сплавы и соединения марганца и хрома с не- 16 ферромагнитными элементами. Ферромагнетики являются сильномагнит- ными веществами. Их намагниченность в огромное число раз (до 10 10 ) пре- восходит намагниченность диа- и парамагнетиков, принадлежащих ккатего- рии слабомагнитных веществ. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ 1. Электромагнитной индукцией называется явление возникнове- ния электродвижущей силы в проводящем контуре при любом изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур. Возникшая э.д.с. называется электродвижущей силой электромагнит- ной индукции ε i . Если проводник замкнут, то возникает ток, который назы- ваютиндукционным. 2. Э.д.с. электромагнитной индукции пропорциональна скорости изме- нения магнитного потока, пронизывающего контур (закон Фарадея): Знак « − » введен в формулу в соответствии с правилом Ленца: индук- ционный ток имеет такое направление, что созданный им магнитный поток противодействует изменению магнитного потока, вызвавшего этот индукци- онный ток. 3. Если замкнутый контур состоит из N последовательно соединенных витков (например, соленоид), то закон электромагнитной индукции записы- вается следующим образом: Величину Ψ =NФ называют полным магнитным потоком или пото- косцеплением. 3. Самоиндукция − это явление возникновения электродвижущей силы в проводящем контуре при изменении электрического тока, идущего по это- му контуру. Электрический ток, текущий в проводящем контуре, создает в окру- жающем пространстве магнитное поле. Полный магнитный поток Ψ, прони- зывающий контур (сцепленный с ним), будет прямо пропорционален току: Ψ=LI. 4. Коэффициент пропорциональности L между полным магнитным по- током (потокосцеплением) и силой тока называется индуктивностью кон- тура или коэффициентом самоиндукции контура. Индуктивность (L)−это скалярная физическая величина, характери- зующая магнитные свойства электрической цепи и равная отношению пол- ного магнитного потока, сцепленного с контуром, к силе тока, текущему по контуру и создающему этот поток: 17 Индуктивность зависит от геометрической формы и размеров контура, а также магнитных свойств среды, в которой он находится. За единицу индуктивности в СИ принимается индуктивность такого проводника (контура), у которого при силе тока в нем 1 А возникает сцеп- ленный с ним полный проток Ψ, равный 1 Вб. Эту единицу называют генри (Гн). [ ] Индуктивность можно рассчитывать на основе геометрии проводника. Индуктивность бесконечно длинного соленоида рассчитывается по следую- щей формуле: L = µ 0 µn 2 Sl= µ 0 µn 2 V, где − плотность намотки; N −число витков соленоида, S− площадь попереч- ного сечения соленоида, lS=V− объѐм соленоида. 5. Самоиндукция является частным случаем явления электромагнитной индукции. Закон Фарадея для самоиндукции: э.д.с. самоиндукции пропор- циональна скорости изменения силы тока. Знак «−» обусловлен правилом Ленца, согласно которому индукцион- ный ток всегда направлен так, чтобы противодействовать причине его вызы- вающей. 6. Взаимной индукцией называется явление возникновения электро- движущей силы в одном из контуров при изменении тока в другом. Согласно закону электромагнитной индукции при изменении тока I 1 в контуре 2 индуцируется э.д.с.: При изменении тока I 2 в контуре 1 индуцируется э.д.с.: На явлении взаимоиндукции основана работа трансформатора, кото- рый служит для повышения или понижения напряжения переменного тока. 7. Магнитное поле является носителем энергии, за счѐт которой со- вершается работа. Используя закон сохранения энергии можно, получить следующее вы- ражение для расчѐта энергии магнитного поля: 18 Энергию магнитного поля можно выразить через величины, характе- ризующие само поле: где Н – напряжѐнность магнитного поля. Объѐмная плотность w энергии магнитного поля равна отношению энергии к объѐму: |